CN210137287U - 用于测量导通状态的电压损耗的装置和逆变器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及用于测量电压损耗的装置和逆变器。用于测量功率变流器的功率半导体开关的和与其反并联连接的二极管的导通状态的电压损耗的装置,包括:第一和第二测量套筒;差分测量设备,其具有第一输入端、第二输入端和输出端;至少一个第一二极管;至少一个第二二极管;和电流产生机构,其具有第一输出端和第二输出端并且设置为,从第一和第二输出端产生同样大的电流,第一输出端连接在至少一个第二二极管和差分测量设备的第二输入端之间的连接点处,第二输出端连接在所述至少一个第一二极管和差分测量设备的第一输入端之间的连接点处,差分测量设备的输出电压偏转正偏置电压,其至少与要测量的二极管的导通状态的最大标称电压损耗类似大。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于测量功率变流器设备的功率半导体和与其反并联连接的二极管的导通状态的电压损耗的装置,所述功率半导体尤其是功率半导体开关,和涉及一种逆变器。
背景技术
在电能例如在两个电系统之间传输时,电功率变流器设备如整流器、逆变器或变频器能够用于转换电能。例如,能够借助变流器设备改变要传输的电能的电压和/或频率。电能例如能够从产生电流的系统传输到消耗电流的系统并且同时转变为适合于消耗电流的系统的形式。整流器的实例是二极管电桥,而逆变器的实例是借助于可控的功率半导体开关构成的变流器电桥。变频器典型地还具有整流器和逆变器,在所述整流器和逆变器之间存在直流电压回路或直流电流中间回路。
半导体部件具有至少一个半导体连接。如果半导体部件处于导通状态(on-state),那么电流能够仅沿特定方向跨过该连接。在此,在所述半导体连接中产生的电压损耗的高低与该连接的温度相关。因此,半导体部件的导通状态的电压测量能够用于估计所述半导体部件的半导体连接的温度。此外,半导体部件的导通状态的电压损耗的高低典型地在老化时改变,这能够实现基于电压测量估计半导体部件的寿命期限。然而,在温度改变和/或半导体部件老化时可察觉的、在半导体部件的导通状态的电压损耗的高低方面的改变是相对小的,这的前提条件是相对高的测量精度。
在Kim、Yong-Seok和Seung-Ki Sul的公开文献“On-line estimation of IGBTjunction temperature using on-state voltage drop”(Industry ApplicationsConferrence,1998年,IEEE)中,描述了一种用于测量用作逆变器的开关的IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor(绝缘栅双极型晶体管))的导通状态的电压损耗的解决方案。尤其针对高于600V的电压应用设计的解决方案基于具有两个二极管的电路,所述电路在要测量的半导体部件的截止状态(off-state)期间防止由此得到的电压接通到电路的测量设备上。在所述装置中的问题在于,在此所测量的导通状态的电压损耗是在该电路的两个二极管的半导体连接中以及在要测量的半导体部件的半导体连接中产生的电压损耗的总和。导通状态的电压损耗的高低能够根据生产批次和孤立的二极管而是不同的,其中所述导通状态对测量结果的影响不一定是精确已知的。所述测量不确定性会使导通状态的在要测量的半导体部件的半导体连接中产生的电压损耗的精确的测量变难或甚至阻碍所述精确的测量。
实用新型内容
本实用新型基于的目的是,开发一种设备,使得上文提到的问题能够被解决或者至少能够被减轻。本实用新型的目的借助本实用性的实施例所述装置实现。
本实用新型所基于的是,所述装置具有差分测量设备、至少一个第一二极管、至少一个第二二极管和电流产生机构,所述电流产生机构设置为,通过所述至少一个二极管以及通过所述第二二极管基本上产生相同的电流,使得在所述二极管中产生的导通状态的电压损耗在其对差分测量设备的输出电压的作用方面相互抵消。
根据本实用新型的装置的优点在于,减少在该电路的二极管中产生的导通状态对测量结果的影响。
附图说明
结合优选的实施方式参照附图更为详尽地阐述本实用新型,其中:
图1示出关于根据一个实施方式的装置的图表。
具体实施方式
本实用新型通常能够应用在不同的变流器应用中。本实用新型的应用不限于特殊的系统类型或例如限于特定的电压水平或电压频率。
根据一个实施方式,用于测量功率变流器的功率半导体开关的和与其反并联连接的二极管的导通状态的电压损耗的装置包括:第一测量套筒和第二测量套筒以及差分测量设备,所述差分测量设备具有第一输入端、第二输入端和输出端。此外,所述装置包括至少一个第一二极管,其连接在第一测量套筒和差分测量设备的第一输入端之间,使得至少一个第一二极管的阴极朝向第一测量套筒;和至少一个第二二极管,其连接在第二测量套筒和差分测量设备的第二输入端之间,使得所述至少一个第二二极管的阴极朝向第二测量套筒。此外,所述装置包括电流产生机构,所述电流产生机构包括第一输出端和第二输出端,并且所述电流产生机构设置为,从第一输出端和从第二输出端产生基本上相同大小的电流。电流产生机构的第一输出端连接在至少一个第二二极管和差分测量设备的第二输入端之间的连接点处,而第二输出端连接在所述至少一个第一二极管和差分测量设备的第一输入端之间的连接点处。装置的差分测量设备的输出电压偏转正偏置电压,所述正偏置电压至少与要测量的二极管的导通状态的最大标称电压损耗同样大。
图1示出根据一个实施方式的用于测量功率半导体开关SW的和与其反并联连接的二极管D3的导通状态的电压损耗的装置的实例。在该附图中仅示出了对于本实用新型的理解而言主要的元件。要注意的是,例如元件的数量能够与在附图中示出的数量不同。具有与图1的实例类似的或相应的功能的测量装置能够构成为分开的装置或者其能够至少部分地或完全地是具有要测量的半导体部件的设备如功率变流器的一部分。
所述实例的装置包括第一测量套筒11,第二测量套筒12,两个第一二极管D11、D12,两个第二二极管D21、D22,差分测量设备2和电流产生机构3。差分测量设备2还包括第一输入端21、第二输入端22和输出端23。
第一二极管D11、D12的和第二二极管D21、D22的数量能够从一个到多个,并且所述数量例如能够与所使用的二极管的电压持续时间相关。在装置中,至少所述第一二极管D11、D12连接在该装置的第一测量套筒11和差分测量设备2的第一输入端21之间,使得二极管的阴极朝向第一测量套筒11,并且至少一个第二二极管D21、D22连接在装置的第二测量套筒12和差分测量设备2的第二输入端22之间,使得二极管的阴极朝向第二测量套筒12。因此,通过至少一个第一二极管D11、D12和至少一个第二二极管D21、D22防止大电压从测量套筒11、12接通到差分测量设备2和/或电流产生机构3中。根据一个实施例,装置包括至少两个第一二极管D11、D12,所述第一二极管串联连接在装置的第一测量套筒11和差分测量设备2的第一输入端21之间,使得相应的第一二极管D11、D12的阴极朝向第一测量套筒11,并且包括至少两个第二二极管D21、D22,所述第二二极管串联连接在装置的第二测量套筒12和差分测量设备2的第二输入端22之间,使得相应的第二二极管D21、D22的阴极朝向第二测量套筒12。根据一个实施例,第一二极管D21、D22的数量对应于第二二极管D21、D22的数量。至少一个第一二极管D11、D12和至少一个第二二极管D21、D22有利地关于导通状态的电压损耗相互匹配,其中在差分测量设备2的第一输入端21和第二输入端22处分别加和有穿过二极管的基本上相同大小的电压,所述电压至少部分地相互抵消。由此得出,至少一个第一二极管D11、D12的和至少一个第二二极管D21、D22的导通状态的电压损耗对差分测量设备2的输出端23的电压的作用减小,并且输出端的电压基本上仅与装置的在第一测量套筒11和第二测量套筒12之间的电压相关。根据一个实施方式,所述至少一个第一二极管D11、D12和所述至少一个第二二极管D21、D22设置为,使得所述第一和第二二极管的环境温度是基本上相同的。在此,至少一个第一二极管D11、D12和至少一个第二二极管D21、D22的导通状态的电压损耗更好地相互对应。
在图1的实例中,差分测量设备2包括进行相加的运算放大器25和从差分测量设备的输出端23到运算放大器的负输入端25中的反馈。此外,根据本实例的差分测量设备2包括在正偏置电压Vref和运算放大器25的正输入端之间,在运算放大器25的正输入端和差分测量设备2的第一输入端21之间,在差分测量设备2的输出端23和运算放大器25的负输入端之间以及在运算放大器25的负输入端和差分测量设备2的第二输入端22之间的基本上同样大的电阻R。正偏置电压Vref经由所述电阻R连接在差分测量设备2的第一输入端21和运算放大器25的正输入端之间的连接点处。电压供给装置24能够是装置的一部分或其例如能够从装置的工作电压导出,其中正偏置电压Vref通过所述电压供给装置产生。有利地,能够根据分别要测量的二极管D3的导通状态的最高标称电压损耗选择预设的正偏置电压Vref。针对不同的二极管类型也能够使用同样数值的偏置电压Vref,只要所述数值至少与每个要测量的二极管类型的导通状态的最高标称电压损耗同样大。在一些功率二极管中,导通状态的电压损耗能够为1V至1.5V,其中要使用的偏置电压Vref的数值例如可以为大约2V。
电流产生机构3包括第一输出端31和第二输出端32,并且电流产生机构3设置为,由其输出端31、32产生数量同样大的电流I1、I2。第一输出端31连接在第二二极管D21、D22和差分测量设备2的第二输入端22之间的连接点处,并且第二输出端32连接在第一二极管D11、D12和差分测量设备2的第一输入端21之间的连接点处。在此,穿过第一二极管D11、D12流向第一测量套筒11的电流基本上对应于穿过第二二极管D21、D22流向第二测量套筒12的电流。在图1的实例中,在测量套筒11和12之间连接有可控的功率半导体开关SW,所述功率半导体开关例如是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor(绝缘栅双极型晶体管))、SCR(Silicon Controlled Rectifier(可控硅整流器))、GTO晶闸管(栅极关断)或FET(Field Effect Transistor(场效应晶体管))如MOSFET(Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor(金属氧化物半导体场效应晶体管))。与功率半导体开关SW反并联连接有二极管D3。这种由功率半导体开关SW和二极管D3(所谓的Nulldiode)构成的对能够是功率变流器例如逆变器的切换支路6的一部分,所述逆变器能够由两个这种功率半导体开关-二极管-对组成,所述功率半导体开关-二极管-对串联连接在功率变流器的直流电压回路的套筒DC+、DC-之间并且在所述功率半导体开关-二极管-对之间存在交流电压输出套筒AC。与功率半导体开关SW反并联连接的二极管D3也是半导体部件,其温度和例如老化能够基于其导通状态的电压损耗来估计。在测量套筒21、22之间的电压能够在电路的零电势的两侧上根据功率半导体开关SW或二极管D3是否导通来改变。由此得到,用于测量功率半导体开关SW的和反并联连接的二极管D3的导通状态的电压损耗的差分测量设备2应当能测量正的以及负的电压。受正偏置电压Vref限制地,可以将差分测量设备2的运算放大器25的正输入电势连续地保持得与运算放大器25的负输入电势至少同样大,其中在差分测量设备2的输出端23处的电压关于电路的零电势连续为正。这能够实现通过相同的电路测量功率半导体开关SW的和与其反并联连接的二极管D3的导通状态的电压损耗,其中所使用的运算放大器25的工作电压能够是单侧的或双侧的。
所述装置还能够具有在差分测量设备2的输出端23处耦合的AD转换器5。典型地,当在零电势的两侧上变化的模拟电压信号转换为数字信号时,在转换中使用差分AD转换器,其典型的前提条件是:在AD转换器的每个输入端中除零电势以外接通有正的以及负的工作电压。用于AD转换器的所需的两侧的工作电压的产生和接通是可能的问题,所述问题会与利用相同电路对功率半导体开关SW的和与其反并联连接的二极管D3的导通状态的电压损耗的测量相关联。替选地,所述装置能够耦合在单独的AD转换器上或者以可耦合在其上的方式设置。如果偏转的正偏置电压Vref至少与反并联连接的二极管D3的导通状态的最大标称电压损耗同样大,则在差分测量设备2的耦合在AD转换器5的输出端23处的电压关于电路的零电势连续为正。在此,AD转换器5不一定需要用于转换电压信号的负工作电压。这除了差分AD转换器以外也能够实现非差分AD转换器的使用,在所述非差分AD转换器的输入端处除了电路的零电势以外仅连接正工作电压,以将差分测量设备2的输出端23的电压信号从模拟信号转换为数字信号。
在图1的实例中,电流产生机构3包括电流镜,所述电流镜具有两个PNP型晶体管T1、T2以及电阻R1和R2。为了相应地由电流镜的第一输出端31和第二输出端32产生基本上同样大的电流I1和I2,有利地将晶体管T1和T2相互匹配,并且电阻R1和R2基本上是同样大的。类似的电流镜电路能够与图1的实例不同地也由NPN型晶体管例如双极晶体管或通道晶体管(FET)构成。通常,电流镜也能够构成为具有任意其他拓扑结构,例如具有威尔森电流镜,其中另一优点是,所述基本上同样大的电流I1和I2更准确地相互匹配。
如果在图1的实例中要测量的功率半导体开关SW处于导通状态中,那么两个第一二极管D11、D12也处于导通状态中。在此,电流镜的晶体管T1和T2的集电极电流是:
其中
Vcc是到达晶体管T1、T2的集电极的馈电电压;
Vbe_T2是晶体管T2的基极-发射极-电压;
Ic_T1是晶体管T1的集电极电流;
Ic_T2是晶体管T2的集电极电流;
Vce_sat是要测量的功率半导体开关SW的饱和状态的集电极-发射极-电压;以及
Vf是相应的第一二极管D11、D12的电压损耗。
此外,如果第一二极管D11、D12的电压损耗基本上彼此对应而且如果差分测量设备2的运算放大器25的偏置电流基本上是小的,那么在运算放大器25的正输入端处的电压为:
其中Vref是所述正偏置电压关于电路的零电势的变量。
此外,如果第二二极管D21、D22的电压损耗基本上彼此对应,那么由基尔霍夫电流定律能够导出如下等式:
由此得到,在差分测量设备2的输出端23处的电压为:
Vo=2×VNINV-2×Vf。 (4)
等式3和4Vf分别示出第二二极管D21、D22的电压损耗。
此外,如果第一二极管D11、D12和第二二极管D21、D22的电压损耗基本上彼此对应,那么等式2和4能够合并,其中在差分测量设备2的输出端处的电压为:
Vo=Vce_sat+2×Vf+Vref-2×Vf=Vce_sat+Vref。 (5)
基于公式5,导通状态的在第一二极管和第二二极管中产生的电压损耗在其对差分测量设备2的输出端23的电压的作用方面相互抵消,并且差分测量设备2的输出端23的电压是要测量的功率半导体的电压损耗的和(已知的)偏置电压Vref的总和。
在二极管D3的导通状态的电压损耗的测量中,在公式1、2和5中出现的功率半导体开关SW的饱和状态的集电极-发射极-电压Vce_sat由反并联连接的二极管D3的导通状态的电压损耗VD3替代。因此,借助于相同的电路能够测量功率半导体开关SW的以及反并联连接的二极管D3的导通状态的电压损耗。
在图1的实例中,AD转换器5能够具有多个输入端51。由此得到,具有非差分AD转换器的装置的实施方式具有其他有利的特征,即所介绍的解决方案减少所需的线路的数量,其中所述非差分AD转换器还包括多个输入端,在所述输入端处除了电路的零电势以外仅连接有正工作电压。
在图1的实例中,所述装置能够附加地具有控制单元(control(控制器))7,所述控制单元能够耦合在AD转换器的输出端52上。AD转换器5或相应的功能也能够包含在控制单元7中。控制单元7能够借助于测量装置执行功率半导体开头SW的和反并联连接的二极管D3的导体状态的电压损耗的测量,并且这种控制单元也能够设置为,用于将要测量的半导体SW、D3引入到导通状态中用于测量。
功率半导体开关SW的和反并联连接的二极管D3的导通状态的电压损耗的测量例如能够实施为连续的测量,其中差分测量设备2的输出端23的电压信号的高低和还有可能耦合于其的AD转换器5的输出52的数值与并联连接的部件中的哪个部件分别处于导通状态中相关。控制单元7能够得到关于例如功率变流器的要测量的部件的状态的信息,要测量的部件位于功率变流器中,并且例如仅借助于如下测量数据执行导通状态的电压损耗的测量,所述测量数据在分别要测量的部件处于导通状态中时被检测。替选地,控制单元7在不知道要测量的部件的状态的情况下能够执行导通状态的电压损耗的测量,其中确定导通状态的电压损耗的前提可以是测量数据的分析,因为从电压信号中得知,其中哪些部分对应于功率半导体的导通状态并且哪些部分还对应于二极管的导通状态。
作为对连续测量的替选方案,能够将功率半导体开关SW的和反并联连接的二极管D3的导通状态的电压损耗的测量例如构成为离散测量,其中控制单元7能够获得关于例如功率变流器的要测量的部件的状态的信息,要测量的部件位于在功率变流器中,并且例如只有当分别要测量的部件处于导通状态中时才能够执行导通状态的电压损耗的测量,并且当所述部件处于截止状态中时不产生附加的测量数据。替选地,控制单元7能够将分别要测量的部件与测量开始并行地或在之前引导到导通状态中,并且此外,在所述的部件被引入截止状态时在之前或同时结束测量。
控制单元7能够借助于一个或多个单元构成。术语“单元”通常指的是物理的或逻辑的整体如物理的设备或其部分或程序例程。控制单元7能够至少部分地借助于计算机或相应的信号处理设备连带合适的软件实现。用于合适的信号处理设备的实例是可编程控制的控制装置(Programmable Logic Controller,PLC)或现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)。这种计算机或这种信号处理设备能够具有至少一个工作存储器(RAM),所述工作存储器提供存储器区域,算术运算使用所述存储器区域,并且具有处理器(CPU)如通用数字信号处理器(DSP),所述处理器执行算术运算。处理器能够具有一组寄存器、算术逻辑单元和处理器的控制单元。处理器的控制单元利用一系列程序指令来控制,所述程序指令由工作存储器传输给处理器。处理器的控制单元能够具有用于基本运算的微指令。微指令的实施能够根据处理器的结构变化。程序指令能够借助于编程语言编码,所述编程语言能够是较高级的编程语言如C、Java等或者低级的语言如机器语言或汇编语言。计算机也能够具有操作系统,所述操作系统能够提供用于用程序指令描述的计算机程序的系统服务。计算机或其他实施本实用新型或其部分的设备例如控制单元7等能够具有:合适的输入机构,所述输入机构用于接收例如用户和/或其他设备的控制数据或测量数据;和输出机构,所述输出机构用于输出例如警报和消息和/或控制数据以及用于控制其他设备。所述设备也能够具有合适的用户界面,用户经由所述用户界面例如能够提供所需的参数。也可能的是,根据不同的实施方式使用特别的集成电路如ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit(专用集成电路)),和/或单部件或用于实现不同实施方式的功能性的其他设备。
上文所描述的不同的实施方式能够在现有的系统中,例如电驱动器或其部件如功率变流器设备中实施,和/或单独的元件和设备能够集中地或分散地被使用。现有的用于电驱动的设备,例如功率变流器设备典型地具有处理器和存储器,其使用在不同的实施方式的功能性的实施方案中。因此,能够至少部分地根据软件例程执行不同的实施方式所需的改变和安装,所述软件例程本身能够作为要添加的或更新的软件流程实现。如果不同的实施方式的功能借助于软件实现,那么这种软件能够作为计算机程序产品提供,所述计算机程序产品具有计算机程序代码,所述计算机程序代码在计算机中的执行使计算机或相应的设备实施根据上文所描述的不同的实施方式的根据本实用新型的功能性。这种计算机程序代码能够在计算机可读的介质中如合适的存储介质,例如闪存存储器或光存储器中存储或通常保存,能够由一个或多个单元从所述存储介质中读取所述计算机程序代码,所述单元执行程序代码。此外,能够将这种程序代码经由合适的数据网加载到一个或多个执行程序代码的单元并且所述程序代码能够替换或更新可能存在的程序代码。
对于本领域技术人员公知的是,在技术进步时本实用新型的基本构思能够以多种不同的方式实现。因此,本实用新型及其实施方式不限于上述实例,而是能够在权利要求的范围内变化。
Claims (11)
1.一种用于测量功率变流器的功率半导体开关的和与其反并联连接的二极管的导通状态的电压损耗的装置,所述装置包括:
第一测量套筒(11)和第二测量套筒(12);
差分测量设备(2),其具有第一输入端(21)、第二输入端(22)和输出端(23);
至少一个第一二极管(D11,D12),其连接在所述装置的所述第一测量套筒(11)和所述差分测量设备(2)的所述第一输入端(21)之间,使得所述至少一个二极管(D11,D12)的阴极朝向所述第一测量套筒(11);
至少一个第二二极管(D21,D22),其连接在所述第二测量套筒(12)和所述差分测量设备的所述第二输入端(22)之间,
其特征在于,
所述至少一个第二二极管(D21,D22)连接在所述第二测量套筒(12)和所述差分测量设备(2)的所述第二输入端(22)之间,使得所述第二二极管的阴极朝向所述第二测量套筒(12),
所述装置包括电流产生机构(3),所述电流产生机构具有第一输出端(31)和第二输出端(32),并且所述电流产生机构设置为,从所述第一输出端(31)和从所述第二输出端(32)基本上产生同样大的电流,其中所述第一输出端(31)连接在所述至少一个第二二极管(D21,D22)和所述差分测量设备(2)的所述第二输入端(22)之间的连接点处,并且所述第二输出端(32)连接在所述至少一个第一二极管(D11,D12)和所述差分测量设备(2)的所述第一输入端(21)之间的连接点处,并且
所述差分测量设备(2)的输出电压偏转正偏置电压,所述正偏置电压至少与要测量的二极管(D3)的导通状态的最大标称电压损耗(Vref)类似大。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述电流产生机构(3)具有电流镜。
3.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于,所述差分测量设备(2)具有进行加和的运算放大器(25)和从所述差分测量设备的所述输出端(23)到所述运算放大器(25)的负输入端中的反馈。
4.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于,所述装置包括:
至少两个第一二极管(D11,D12),所述第一二极管串联连接在所述装置的第一测量套筒(11)和所述差分测量设备(2)的第一输入端(21)之间,使得相应的第一二极管(D11,D12)的阴极朝向所述第一测量套筒(11);和
至少两个第二二极管(D21,D22),所述第二二极管串联连接在所述装置的第二测量套筒(12)和所述差分测量设备(2)的第二输入端(22)之间,使得所述相应的第二二极管(D21,D22)的阴极朝向所述第二测量套筒(12)。
5.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于,所述第一二极管(D11,D12)的数量与所述第二二极管(D21,D22)的数量相同。
6.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于,所述至少一个第一二极管(D11,D12)和所述至少一个第二二极管(D21,D22)关于导通状态的电压损耗相互匹配。
7.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,所述至少一个第一二极管(D11,D12)和所述至少一个第二二极管(D21,D22)设置为,使得它们具有基本上相同的环境温度。
8.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于,所述装置包括:至少一个功率半导体开关(SW),所述功率半导体开关连接在所述第一测量套筒(11)和所述第二测量套筒(12)之间;和至少一个二极管(D3),所述至少一个二极管(D3)与所述功率半导体开关(SW)反并联地连接。
9.根据权利要求8所述的装置,其特征在于,所述功率半导体开关(SW)是绝缘栅双极型晶体管、可控硅整流器、栅极关断晶闸管或场效应晶体管。
10.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于,所述装置包括AD转换器(5),所述AD转换器的输入端(51)与所述差分测量设备(2)的输出端(23)耦合。
11.一种逆变器,其特征在于,所述逆变器包括任意的根据权利要求1至10中任一项所述的装置。
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